Технология PCB - Влияние перфорации в многослойной конструкции PCB на передачу высокочастотных сигналов

1. Основные понятия перфорации

Перфорация является одним из важных компонентов многослойной ПХБ, и стоимость бурения обычно составляет от 30% до 40% затрат на изготовление ПХБ. Проще говоря, каждое отверстие на ПХБ можно назвать перфорацией. С функциональной точки зрения перфорации можно разделить на две категории: один используется для электрического соединения между слоями; Другой используется в стационарных или позиционных устройствах. С технологической точки зрения эти перфорации обычно делятся на три категории: слепые перфорации, погребенные перфорации и сквозные отверстия. Слепое отверстие расположено на верхней и нижней частях печатной платы и имеет определенную глубину.

Они используются для соединения поверхностных линий с внутренними линиями ниже. Глубина отверстия обычно не превышает определенного соотношения (апертуры). Под погребенным отверстием понимается соединительное отверстие, расположенное внутри печатной платы и не простирающееся до поверхности платы. Оба типа отверстий расположены во внутреннем слое монтажной платы и выполняются с помощью процесса образования сквозных отверстий до ламинирования, а также могут перекрывать несколько внутренних слоев при образовании перфорации.

Третий тип называется сквозным отверстием, которое проникает через всю монтажную плату и может использоваться для внутреннего соединения или установки позиционных отверстий в качестве элемента. Поскольку сквозные отверстия легче реализовать в процессе и дешевле, большинство печатных плат используют их вместо двух других типов сквозных отверстий. Если не предусмотрено иное, следующие перфорации считаются перфорированными.

С точки зрения конструкции, перфорация состоит в основном из двух частей, одна из которых представляет собой промежуточную скважину, а другая - область прокладки вокруг скважины. Размер этих двух частей определяет размер отверстия. Очевидно, что в высокоскоростном и плотном дизайне PCB дизайнеры всегда хотят, чтобы чем меньше отверстие, тем лучше, чтобы на панели оставалось больше места для проводки. Кроме того, чем меньше перфорация, тем меньше ее собственная паразитическая емкость. Чем меньше он, тем больше он подходит для высокоскоростных схем. Однако уменьшение размера отверстия также приводит к увеличению затрат, и размер перфорации не может быть уменьшен бесконечно. Он ограничен такими технологическими методами, как бурение и гальваническое покрытие: чем меньше отверстие, тем больше скважины, тем дольше требуется время, тем легче отклоняться от центрального положения; И когда глубина отверстия превышает диаметр отверстия в 6 раз, нет гарантии, что стенка отверстия будет равномерно покрыта медью. Например, если толщина нормальной шестислойной пластины ПХБ (глубина отверстия) составляет 50 миль, то при нормальных условиях минимальный диаметр скважины, который может предоставить производитель ПХБ, может достигать только 8 миль. С развитием технологии лазерного бурения размер отверстия может становиться все меньше и меньше. Обычно перфорации диаметром менее 6 миль называются микроотверстиями. Перепористость обычно используется при проектировании HDI (структура межсоединений высокой плотности). Технология Microvia позволяет прямое штампование перфорации на сварном диске (перфорация в сварном диске), что значительно повышает производительность схемы и экономит пространство для проводки.

Перепористость проявляется на линии передачи как точка останова с разрывом сопротивления, что приводит к отражению сигнала. Как правило, эквивалентное сопротивление перфорации примерно на 12% ниже, чем эквивалентное сопротивление линии передачи. Например, сопротивление линии передачи 50 Ом уменьшается на 6 Ом при прохождении через отверстие (в частности, это связано с размером и толщиной отверстия, а не с абсолютным уменьшением). Однако отражение, вызванное разрывным сопротивлением перфорации, на самом деле очень мало. Коэффициент отражения только: (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06. Проблемы, вызванные перфорацией, больше сосредоточены на паразитной емкости и индуктивности. Воздействие

Паразитическая емкость и индуктивность перфорации

Сама перфорация имеет паразитную емкость рассеяния. Если диаметр сварной маски на известном перфорированном заземлении составляет D2, диаметр перфорированного диска - D1, толщина пластины PCB - T, а диэлектрическая константа пластины - Island мкl, паразитная емкость перфорации приблизительно равна: C = 1.41 Island мкTD1 / (D2 - D1)

Основным эффектом паразитной емкости перфорации на цепи является увеличение времени подъема сигнала и снижение скорости цепи. Например, для ПХБ толщиной 50 миль, если диаметр перфорированного сварочного диска составляет 20 миль (диаметр скважины 10 миль), а диаметр маски сварного материала 40 миль, мы можем использовать формулу выше, чтобы приблизить размер перфорации. Паразитная емкость примерно: C = 1,41 x4.4x0.050x0.020 / (0.040 - 0.020) = 0.31pF. Время подъема, вызванное этой частью емкости, изменяется примерно следующим образом: T10 - 90 = 2,2C (Z0 / 2) = 2,2x0.31x (50 / 217) = 05x

Из этих значений видно, что, хотя эффект задержки подъема, вызванный паразитическими конденсаторами с отдельными перфорациями, не очевиден, несколько перфораций могут быть использованы, если они многократно переключаются между слоями в линии следа. Дизайн должен быть тщательно продуман. В практической конструкции паразитная емкость может быть уменьшена путем увеличения расстояния между перфорацией и медной областью (анти - сварочный диск) или уменьшения диаметра сварного диска.

В перфорации присутствует паразитная емкость и паразитная индуктивность. При проектировании высокоскоростных цифровых схем паразитная индуктивность перфорации часто наносит больший вред, чем паразитная емкость. Его паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад шунтирующих конденсаторов и ослабляет фильтрационный эффект всей энергосистемы. Мы можем просто рассчитать паразитную индуктивность перфорации, используя следующую эмпирическую формулу: L = 5.08 h [ln (4h / d) + 1], где L - это индуктивность перфорации, h - длина перфорации, d - диаметр центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр перфорации оказывает меньшее влияние на индуктивность, а длина перфорации оказывает наибольшее влияние на индуктивность. Тем не менее, используя приведенный выше пример, индуктивность перфорации может быть рассчитана следующим образом: L = 5.08x0.050 [ln (4x0.050 / 0.010) + 1] = 1015nH Если время подъема сигнала составляет 1ns, его эквивалентное сопротивление: XL = NIL / T10 - 90 = 3.19. Это сопротивление больше нельзя игнорировать при прохождении высокочастотного тока. Особое внимание следует обратить на то, что при соединении плоскости питания и плоскости заземления шунтирующий конденсатор должен проходить через два перфорации, так что паразитическая индуктивность перфорации будет экспоненциально увеличиваться.

3 Как использовать отверстие

Из приведенного выше анализа паразитических свойств перфорации мы видим, что, казалось бы, простые перфорации в высокоскоростной конструкции PCB часто оказывают большое негативное влияние на конструкцию схемы. Чтобы уменьшить неблагоприятные эффекты, вызванные паразитическим эффектом перфорации, при проектировании могут быть выполнены следующие действия:

1. Выбор разумного размера по размеру с учетом стоимости и качества сигнала. При необходимости можно рассмотреть возможность использования пробоин разных размеров. Например, для перфорации питания или заземления можно рассмотреть возможность использования больших размеров для снижения сопротивления, а для линии сигнального следа можно использовать меньшие перфорации. Конечно, по мере уменьшения размера перфорации соответствующие затраты будут увеличиваться.

Две формулы, рассмотренные выше, позволяют сделать вывод о том, что использование более тонкого ПХД способствует уменьшению двух паразитических параметров перфорации.

Старайтесь не менять количество слоев сигнальных следов на панели PCB, то есть старайтесь не использовать ненужные перфорации.

Подключатели питания и заземления должны быть пробурены поблизости, а провода между перфорациями и выводами должны быть как можно короче. Рассмотрим возможность параллельного бурения нескольких отверстий для уменьшения эквивалентной индуктивности.

5. Установка некоторых заземленных сквозных отверстий вблизи проходных отверстий в слое изменения сигнала обеспечивает ближайший путь возвращения сигнала. Вы даже можете разместить несколько избыточных заземленных отверстий на PCB.

Для высокоскоростных PCB - панелей высокой плотности можно рассмотреть возможность использования микроперфорации.